DE8312595U1 - Focusing ultrasonic probe - Google Patents

Focusing ultrasonic probe

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DE8312595U1 DE8312595U DE8312595DU DE8312595U1 DE 8312595 U1 DE8312595 U1 DE 8312595U1 DE 8312595 U DE8312595 U DE 8312595U DE 8312595D U DE8312595D U DE 8312595DU DE 8312595 U1 DE8312595 U1 DE 8312595U1
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Description

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Krautkrämer GmbH 28. April 1983Krautkrämer GmbH April 28, 1983

Luxemburger Str. 449 P/ClLuxemburger Str. 449 P / Cl

5000 Köln 41 K-1735000 Cologne 41 K-173

FOKUSSIERENDER ULTRASCHALLPROFKOPFFOCUSING ULTRASONIC PROHEAD

Die Erfindung betrifft einen fokussierenden Ultraschall prüfkopf mit einer zellenförmigen Anordnung von Schwingerelementen, bei dem nebeneinander!iegsnde Schwingerelemente zu einzelnen Gruppen zusammengefaßt sind und bei dem zur Erzeugung räumlich getrennter Fokuspunkte, mehrere dieser Gruppen von Schwingerelementen die Zonen jeweils einer entsprechenden Fresnelschen Zonenlinse bilden.The invention relates to a focusing ultrasonic probe with a cellular arrangement of transducer elements the side-by-side vibrating elements to form individual groups are combined and in the case of the generation of spatially separated focal points, several of these groups of transducer elements Zones each form a corresponding Fresnel zone lens.

Derartige Prüfköpfe werden vor allem in der medizinischen Ultraschalltechnik verwendet und sind beispielsweise in der DE-PS 23 45 155 und der US-PS 4.320.660 offenbart. Diese senkrecht in das zu prüfende Material einschallenden Zeilenschwinger werden besonders zur Aufnahme von Schnittbildern benutzt. Hingegen ist ihre Verwendung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bisher kaum bekannt geworden.Such probes are mainly used in medical ultrasound technology used and are disclosed for example in DE-PS 23 45 155 and US-PS 4,320,660. This perpendicular to the Line oscillators that emit material to be tested are particularly used to record sectional images. On the other hand, their use is until now hardly known in non-destructive material testing.

Au& der Gebrauchsmusterschrift G 81 34 963.7 ist bereits ein Winkelprüfkopf bekannt, bei dem ein Zeilenschwinger auf einem keilförmigen Vorlaufkörper angeordnet ist. Mit diesem Prüfkopf können Transversalwellen erzeugt werden, die je nach den angeregten Zeilenschwingerelementen unter unterschiedlichem Winkel in das Werkstück eingeschallt werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Prüfkopfes ist es, daft zur Fokussierung der Schall strahlen einfc Linse vorgesehen werden muß. Eine Änderung des Fokussierpunktes, beispielsweise entlang einer Achse mit konstantem Einschallwinkel, ist mit den bekannten Prüf-According to the utility model G 81 34 963.7, an angle probe is already used known in which a line oscillator is arranged on a wedge-shaped leading body. With this probe, transverse waves are generated, depending on the excited line oscillator elements sounded into the workpiece at different angles will. A major disadvantage of this known test head is that a lens is provided to focus the sound rays got to. A change in the focus point, for example along an axis with a constant angle of incidence, is possible with the known test

3 -3 -

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köpfen nicht möglich*heads not possible *

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde-, einen Prüfkopf der eingangs beschriebenen Art anzugebens mit dem es möglich ist auf einfache Weise Ultraschall well en unter einem vorgegebenen Winkel in das Prüfstück einzuschallen, wobei eine Fokussierung der Ultraschallwellen in unterschiedlichen Tiefen des zu prüfenden Werkstückes möglich sein soll.The present invention is based on the object - is to provide a probe of the initially described type s with which it is possible einzuschallen easily ultrasonic well en at a predetermined angle in the test piece, a focusing of the ultrasonic waves possible in varying depths of the workpiece to be tested should be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.

Die weiteren Unteransprüche stellen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.The further subclaims represent particularly advantageous embodiments of the invention.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen imFurther details and advantages of the invention are provided in

folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren erläutert werden.The following are explained on the basis of exemplary embodiments with the aid of figures.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 den Schnitt eines ersten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes;1 shows the section of a first embodiment of a test head according to the invention;

Fig. 2 undFig. 2 and

Fig. 3 den Prüf.kopf nach Fig. 1, mit unterschiedlichen angeregten Fesnelzonen.3 shows the test head according to FIG. 1, with different excited fesnel zones.

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In Fig. 1 ist mit 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäSen Prüfkopfes, mit 2 ein auf Fehler zu untersuchendes Werkstück und mit 3 ein Ultraschallprüfgerät bezeichnet, das über ein Kabel 4 mit dem Prüfkopf 1 verbunden ist.In Fig. 1, 1 is an embodiment of an inventive Test head, with 2 a workpiece to be examined for defects and 3 with an ultrasonic testing device, which is via a cable 4 is connected to the test head 1.

Der Prüfkopf 1 besteht im wesentlichen aus einer linearen Wandleranordnung (Zeilenschwinger) 10 und einem keilförmigen Vorlaufkörper 11, der beispielsweise aus Plexiglas besteht. Die gesamte aus Zeilenschwinger 10 und Vorlaufkörper 11 bestehende Anordnung, befindet sich in einem Prüfkopfgehäuse 12. Durch die Seitenwand dieses Gehäuses ist das Kabel 4 geführt, das aus einer Vielzahl elektrischer Leitungen besteht. Jede dieser Leitungen ist sowohl mit einem der Schwingerelemente des Zeilenschwingers 10 verbunden als auch mit dem Ultraschallgerät 3. In dem Ultraschallgerät 3 befinden sich die nicht im einzelnen dargestellten Sender zur Erregung der Schwingerelemente sowie die entsprechenden Empfangsverstärker und Auswerteeinheiten. The test head 1 consists essentially of a linear transducer arrangement (Line oscillator) 10 and a wedge-shaped leading body 11, which consists for example of Plexiglas. The whole of the row swing 10 and leading body 11 existing arrangement is located in a probe housing 12. Through the side wall of this housing the cable 4 is guided, which consists of a plurality of electrical lines. Each of these lines comes with both a the transducer elements of the line transducer 10 and connected to the ultrasound device 3. In the ultrasound device 3 are located the transmitter (not shown in detail) for exciting the transducer elements and the corresponding receiving amplifiers and evaluation units.

Auf der dem zu prüfenden Werkstück 2 zugewandten Seite des Prüfkopfes (Unterseite des Prüfkopfes) befindet sich ein die Ul traschall strahl en durchlässiges Fenster 5. Dieses kann im einfachsten Fall dadurch hergestellt werden, daß die Unterseite des Prüfkopfgehäuses durch den Vorlaufkörper 11 begrenzt wird.On the side of the test head facing the workpiece 2 to be tested (Underside of the probe) is the ultrasonic beam permeable window 5. This can be produced in the simplest case in that the underside of the probe housing through the Leading body 11 is limited.

Bei dem dargestellten Prüfkopf 1 handelt es sich um einen söge- J nannten 45° Prüfkopf, d.h., der Einschal 1winkel <% (Winkel zwischen der Senkrechten auf der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes und der Achse des Schall bündeis ) beträgt 45°. Der Keil winkel oC beträgt 36,5°. Als Zeilenschwinger 10 wurde ein Array mit 18 Schwingereiementen verwendet, die 1,25 mm breit und 12 mm lang waren.The test head 1 shown is a so-called 45 ° test head, ie the shutter angle <% (angle between the perpendicular on the surface of the workpiece to be tested and the axis of the sound bundle) is 45 °. The wedge angle oC is 36.5 °. The line oscillator 10 used was an array with 18 oscillating elements which were 1.25 mm wide and 12 mm long.

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5 -5 -

Zur Erklärung der Wirkungsweise des Prüfkopfes 1 ist in dön piguren 2 und 3 wiederum der keilförmige Vorlaufkörper 11 mit dem Zeilenschwinger 10 und dem zu prüfenden Werkstück 2 dargestellt. Die jeweils aktiven Schwingerelementgruppen (Zonen) sind schwarz gezeichnet und mit den Bezugszeichen 140, 150, Und 170, 180, 190 versehen. Von diesen Schwingerelementgruppen gehen die Schallstrahlen 141, 151, 161 und 171, 181, 191 aus. Die Fokuspunkte 21 und 22 liegen jeweils auf der Hauptschal1-strahlachse 20 (vgl. auch Fig. 1).To explain the operation of the testing head 1 is in dön p iguren 2 and 3, in turn, the wedge-shaped flow body 11 with the line oscillator 10, and the workpiece to be tested. 2 The vibrator element groups (zones) that are active in each case are shown in black and are provided with the reference numerals 140, 150, and 170, 180, 190. The sound beams 141, 151, 161 and 171, 181, 191 emanate from these vibrator element groups. The focal points 21 and 22 each lie on the main beam axis 20 (see also FIG. 1).

Der in Fig. 2 dargestellte Fokuspunkt 21 hat in dem vorliegenden Beispiel einen Abstand D 1 von der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes 2 von 20 mm. Die Lage der jeweiligen Zonen 140, 150, 160 auf dem Zeilenschwinger 10 ergibt sich aus der Forderung,The focal point 21 shown in Fig. 2 has in the present Example a distance D 1 from the surface of the workpiece 2 to be tested of 20 mm. The location of the respective zones 140, 150, 160 on the line oscillator 10 results from the requirement daß die Schalldruckamplitude der Schallstrahlen 141, 151 und in dem Fokuspunkt 21 jeweils einen positiven Beitrag zu der dort herrschenden Schalldruckamplitude liefern müssen (vgl. auch die DE-PS 23 45 155). Jede Zone bestand aus 3 Schwingereiemeriten. Es hat sich gezeigt, daß die Breite der Zonen so gewählt werden muß,that the sound pressure amplitude of the sound beams 141, 151 and in the focal point 21 must each make a positive contribution to the sound pressure amplitude prevailing there (cf. also the DE-PS 23 45 155). Each zone consisted of 3 swinging mills. It has been shown that the width of the zones must be chosen so daß der Gangunterschied der Randstrahlen einer Zone im Fokuspunkt s^ 15% der Wellenlänge im zu prüfenden Werkstück 2 ist.that the path difference of the marginal rays of a zone in the focal point is s ^ 15% of the wavelength in the workpiece 2 to be tested.

Es hat sich ferner gezeigt, daß der Schall druck der einzelnen Zonen mit zunehmender Keildicke abnimmt. Demzufolge sind auch die Beiträge der Zonen, 150 und 160 zur Interferenz im Fokuspunkt schwächer als der Beitrag der Zone 140. Die Lage des Fokuspunktes 21 wird daher bei Winkel prüfköpfen wesentlich durch die Zone am dünnen Keilende bestimmt.It has also been shown that the sound pressure of the individual zones decreases with increasing wedge thickness. So are the Contributions of the zones 150 and 160 to the interference in the focal point are weaker than the contribution of the zone 140. The position of the focal point 21 is therefore essentially due to the angle probes Zone determined at the thin end of the wedge.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zonen hinsichtlich ihrer Lage auf dem Zeilenschwinger derart gewählt werden, daß ihre Schalldruckamplituden irn Fokuspunkt einen Gangunterschied aufweisen, der Null ist. Denn dieses ermöglicht die Anregung der Zonenlinse auch durch breitbandige Sendeimpulse, die in der RegelIt has proven to be advantageous if the zones with regard to Their position on the line oscillator can be chosen such that their sound pressure amplitudes in the focal point have a path difference which is zero. Because this enables the stimulation of the Zone lens also by broadband transmission pulses, which as a rule eine geringe Kohärenzlange aufweisen.have a short coherence length.

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-δ--δ-

In Fig* 3 sind die Verhältnisse für einen Fokuspunkt 22, de?· von der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes einen Abstand D 2 von 40 mm besitzt, wiedergegeben. Hinsichtlich der Lage und Breite der Zonen des Zeilenschwingers 10 gilt das oben zu Fig. 2 gesagte*In FIG. 3, the relationships for a focal point 22, de? · From the surface of the workpiece to be tested a distance D 2 of 40 mm, reproduced. With regard to the position and width of the zones of the line oscillator 10, what was said above for FIG. 2 applies *

Die Wahl der jeweiligen Fokusabstände kann beispielsweise* wie in Fig. 1 angedeutet, mit Hilfe eines mechanischen Schalters erfolgen, der in dem Ultraschallgerät untergebracht ist. Mit Hilfe dieses Schalters wird der Sender bzw. der Empfänger des Ultraschallgerätes mit den entsprechenden Schwingereiementen der jeweiligen Zonen verbunden.The choice of the respective focus distances can, for example, * such as indicated in Fig. 1, take place with the help of a mechanical switch which is housed in the ultrasound device. With With the help of this switch, the transmitter or the receiver of the ultrasound device is activated with the corresponding oscillating elements of the respective zones.

Claims (2)

I ....I ...
1 · :: :1 · :: : r β · f r β · f ■ ·■ · 28. AprilApril 28 19831983 I .· ··I. · ·· • ■ · ■• ■ · ■ P/ClP / Cl I Krautkrämer GmbHI Krautkrämer GmbH K-173K-173 I Luxemburger Str. 449I Luxemburger Str. 449 I 5000 Köln 41I 5000 Cologne 41
Pyq nsprüchePyq n claims 11. Fokussierender Ultraschall prüfkopf mit einer zellenförmigen Anordnung von Schwingerelementen, bei dem nebeneinanderliegende Schwingerelemente zu einzelnen Gruppen zusammengefaßt sind und bei dem zur Erzeugung räumlich getrennter Fokuspunkte, mehrere dieser Gruppen von Schwingerelementen die Zonen jeweils einer entsprechenden Fresnel sehen Zonenlinse bilden,11. Focusing ultrasonic probe with a cell-shaped Arrangement of transducer elements in which adjacent transducer elements are combined into individual groups and in the case of the generation of spatially separated focal points, several of these groups of transducer elements the zones of a respective Fresnel see zone lens form, dadurch gekennzeichnet, - daß sich die zellenförmige Anordnung der Schwingerelemente (10) auf einem keilförmigen Vor!aufkörper (11) befindet undcharacterized in that - that the cell-shaped arrangement of the transducer elements (10) is located on a wedge-shaped front body (11) and -yq η-yq η - daß der Keilwinkel (<*-) des Vor! auf körpers (11) so gewählt ist, daß in dem zu prüfenden Werkstück (2) nur Transversal wellen erzeugt werden.
15- that the wedge angle (<* -) of the Vor! on body (11) is chosen so that only transverse waves are generated in the workpiece to be tested (2).
15th 2. Fokussierender UltraschaVlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel («*.) und/oder die Schwingerelemente so angeordnet sind, daß die Phasendifferenz, der von mindestens zwei Zonen erzeugten Ultraschallwellen Null ist.2. Focusing ultrasonic test head according to claim 1, characterized in that the wedge angle («*.) and / or the transducer elements are so arranged are that the phase difference that of at least two Zones generated ultrasonic waves is zero.
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